大規模MIMO傳輸理論與關鍵技術（簡體書）

4G無線通信發展的歷程表明多天線技術通過天線數目的增加已經給系統帶來巨大的性能增益。近年來，大規模多天線技術在傳統多天線技術的基礎上進一步得到發展，已經成為5G無線通信領域的關鍵技術之一，吸引學術界和工業界大量的研究目光。本書將著重系統地介紹大規模多天線技術的理論與應用技術，結合國際學術界和標準化組織的具體研究進展，對大規模多天線的理論，算法和系統設計等進行最前沿的技術分析。內容主要包括大規模天線技術發展現狀、大規模多天線信道模型、大規模多天線系統容量分析、大規模多天線空分多址傳輸、大規模多天線多用戶調度技術、大規模多天線信道估計與導頻設計、大規模多天線鏈路自適應傳輸技術、大規模多天線高性能接收技術、系統級仿真與原型驗證平臺設計和應用等。

前 言
Preface


隨著移動互聯網的蓬勃發展，移動通信業務量呈現爆炸式增長，新一代蜂窩移動通信將具備“海容量、泛連接、超效能”等新特徵，急需在頻譜效率、功率效率、頻譜擴展與網絡密集化等多重方向上取得突破性進展。現有的4G技術難以滿足未來超高傳輸速率移動互聯無線通信需求，在頻譜資源日趨緊缺的情況下，需要引入變革性的無線傳輸新技術。近年來，大規模MIMO傳輸理論與關鍵技術由於能夠顯著提升無線網絡容量、應對新一代蜂窩移動通信的多重需求，引發了國內外學術界和工業界的極大關注。
大規模MIMO技術是利用基站側配置的大規模天線陣列服務小區中若干用戶的 MIMO系統。早期的理論研究表明：當天線數目趨於無窮大時，大規模MIMO技術能夠有效提高空間分辨率，削弱快衰落以及非相關噪聲的影響，使空間資源能夠進一步劃分，可以採用空分多址的複用方式，同時調度服務的用戶個數，實現多用戶傳輸，提高系統容量。
本書主要內容為大規模MIMO傳輸理論與關鍵技術，詳細介紹了大規模MIMO的基本概念、基本原理、關鍵技術、原型驗證平臺以及最新進展。全書共9章，內容包括MIMO無線通信系統發展、大規模MIMO系統信息論基礎、大規模MIMO空分多址傳輸、大規模MIMO多用戶調度技術、大規模MIMO的信道估計與導頻設計、大規模MIMO先進接收機設計、毫米波大規模MIMO技術、大規模MIMO原型驗證平臺設計和應用以及大規模MIMO技術最新進展。
本書由金石組織編寫並統稿，東南大學移動通信國家重點實驗室金石主要負責或參與撰寫本書第2、3、4、7、8、9章，臺灣中山大學通訊技術實驗室溫朝凱主要負責或參與撰寫本書第6、7、8、9章，清華大學自動化系信息處理研究所高飛飛主要負責或參與撰寫本書的第1、2、7章，華中科技大學電子信息與通信學院江濤主要負責或參與撰寫本書第5、9章。本書部分原型驗證平臺的介紹得到了美國國家儀器公司的授權。此外，還要特別感謝東南大學移動通信國家重點實驗室李崢、陽析、韓瑜、范利等研究生為本書所做的貢獻。
限於作者認知水平和寫作時間，對於本書中存在的錯誤或不足之處，懇請同行專家與讀者給予批評指正，我們將不勝感謝！

作 者
于中國無線穀

目 錄 Contents
第1章 Chapter 1 MIMO無線通信系統發展 1
1.1 MIMO無線通信系統發展簡史 2
1.2 大規模MIMO系統特徵及當前研究進展 4
1.2.1 大規模MIMO系統研究需求 4
1.2.2 基本原理及系統特徵 4
1.2.3 主要研究內容 6
1.2.4 研究現狀 7
1.3 MIMO無線衰落信道的基本特徵 11
1.4 大規模MIMO信道特點 16
1.4.1 大規模MIMO信道的最佳傳播條件 16
1.4.2 大規模MIMO信道的非平穩性 18
1.4.3 大規模MIMO陣列組態及球面波前 18
1.4.4 大規模MIMO用戶信道建模 19
第2章 Chapter 2 大規模MIMO系統信息論基礎及信道容量分析 21
2.1 大規模MIMO系統信息論基礎 22
2.1.1 MIMO技術 22
2.1.2 多用戶MIMO技術 23
2.1.3 大規模MIMO技術 25
2.2 大規模MIMO系統模型 26
2.2.1 六邊形小區 26
2.2.2 正交頻分複用 26
2.2.3 時分雙工 27
2.2.4 傳輸模型 27
2.3 導頻污染形成機理 28
2.3.1 反向鏈路導頻傳輸 28
2.3.2 導頻污染 29
2.4 大規模MIMO信道容量分析 30
2.4.1 反向鏈路數據傳輸 30
2.4.2 前向鏈路數據傳輸 32
2.5 本章小結 34
第3章 Chapter 3 大規模MIMO空分多址傳輸台 35
3.1 多用戶MIMO傳輸基本原理 36
3.1.1 多用戶信道 36
3.1.2 多址接入 36
3.1.3 多用戶MIMO系統的速率域 38
3.2 多用戶MIMO下行預編碼技術 40
3.2.1 預編碼基本原理 40
3.2.2 ZF預編碼 41
3.2.3 MMSE預編碼 41
3.3 大規模MIMO空分多址傳輸 42
3.4 聯合空分複用傳輸技術 43
3.4.1 系統模型 43
3.4.2 JSDM方案 44
3.4.3 JSDM性能 46
3.4.4 性能仿真 47
3.5 大規模MIMO統計空分多址傳輸 49
3.5.1 系統模型 49
3.5.2 空間信道特征 50
3.5.3 波束域下行最優傳輸理論 54
3.5.4 MB-SDMA傳輸方案 56
3.6 本章小結 58
第4章 Chapter 4 大規模MIMO多用戶調度技術台 59
4.1 多用戶MIMO調度基本原理 60
4.1.1 多用戶MIMO系統模型 60
4.1.2 啟發式搜索調度算法概述 62
4.1.3 基於零空間投影的調度算法 64
4.1.4 半正交用戶選擇算法 65
4.1.5 基於樹形搜索的調度算法 66
4.2 JSDM傳輸下大規模MIMO多用戶調度 68
4.2.1 用戶分組算法 68
4.2.2 組內用戶調度算法 74
4.3 統計大規模MIMO多用戶調度 76
4.3.1 多用戶和速率及其在線估計 76
4.3.2 用戶調度算法 79
4.4 大規模MIMO多用戶調度技術性能評估 82
4.4.1 JSDM方案中多用戶調度性能 82
4.4.2 統計大規模MIMO多用戶調度性能 84
第5章 Chapter 5 大規模MIMO信道估計與導頻設計 91
5.1 大規模MIMO信道估計與導頻設計基本原理 92
5.1.1 信道估計原理 92
5.1.2 導頻設計基本原理 93
5.2 低複雜度的大規模MIMO信道估計 93
5.2.1 傳統的信道估計 94
5.2.2 低複雜度的信道估計 95
5.3 基於壓縮感知的大規模MIMO信道估計 98
5.3.1 壓縮感知與信道估計 98
5.3.2 壓縮感知信道重建方法 99
5.3.3 信道反饋與壓縮感知 100
5.4 導頻設計與導頻再用 101
5.4.1 導頻再用與導頻污染 101
5.4.2 導頻再用與導頻分配 102
5.5 性能評估 105
5.5.1 信道估計誤差 106
5.5.2 傳輸速率 106
5.5.3 頻譜效率 108
第6章 Chapter 6 大規模多天線接收機 109
6.1 系統模型 111
6.2 信號解調 111
6.2.1 ZF解調器 112
6.2.2 LMMSE解調器 112
6.2.3 近似信息傳遞解調器 112
6.3 信道估計 118
6.3.1 信道特性 118
6.3.2 貝葉斯信道估計 119
6.4 AMP算法性能評估 123
6.4.1 信號解調 123
6.4.2 信道估計 125
6.5 本章小結 128
第7章 Chapter 7 毫米波大規模MIMO技術 129
7.1 毫米波信道模型 130
7.1.1 可分辨路徑集合 130
7.1.2 路徑損耗 131
7.1.3 角度擴散 131
7.1.4 阻塞概率 132
7.1.5 小尺度衰落 133
7.1.6 簡化模型 133
7.2 結合波分多址與干擾抑制的多用戶傳輸方案 134
7.2.1 系統模型 135
7.2.2 波束域分析 136
7.2.3 多用戶傳輸方案設計 139
7.2.4 仿真結果 145
7.3 本章小結 148
第8章 Chapter 8 大規模MIMO原型驗證平臺設計和應用 149
8.1 Argos原型平臺 150
8.2 NI原型平臺 152
8.2.1 NI的大規模MIMO應用程序框架 152
8.2.2 128天線大規模MIMO原型驗證平臺 155
8.2.3 IO流速率分析 159
8.2.4 系統的同步 161
8.2.5 系統實物圖和測試結果 163
第9章 Chapter 9 大規模MIMO技術最新進展 169
9.1 低成本大規模MIMO技術 170
9.2 低精度量化研究現狀 172
9.3 量化OFDM技術[175] 174
9.3.1 系統模型 174
9.3.2 MAP信道估計 176
9.3.3 MMSE數據檢測 176
9.4 大規模MIMO系統的混合ADC設計方案 177
9.4.1 系統模型 178
9.4.2 MIMO檢測器 180
9.4.3 混合ADC設計方案 185
9.4.4 仿真結果與分析 187
9.5 大規模MIMO系統中的多水平低位數ADC應用方案 194
9.5.1 系統模型 195
9.5.2 狀態演化方程 196
9.5.3 多水平低位數ADC替換高位數ADC 200
9.5.4 仿真結果與分析 203
附錄A Appendix A 鬆弛置信度傳播算法推導 207
附錄B Appendix B AMP算法推導 213
附錄C Appendix C 縮略語 217
附錄D Appendix D 縮略語 221
參考文獻 229